三维激光成型固化光敏树脂的力学性能研究

伍璧超 卢玉斌

三维激光成型固化光敏树脂的力学性能研究

伍璧超 卢玉斌

(西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室 四川绵阳 621010)

对经过三维激光成型固化后的光敏树脂进行了准静态压缩和拉伸试验，获得了其力学性能的变化规律以及真实应力－应变曲线等数据。实验结果表明:固化后的光敏树脂存在明显的压缩屈服现象，并测得其压缩屈服强度为40 MPa，拉伸时出现应变软化现象，测得其拉伸强度为51 MPa，断裂伸长率为17%，具有一定韧性，说明光敏树脂具有较好的力学性能。

光敏树脂 三维激光成型技术(SLA) 力学性能 应力－应变曲线

目前，各国的制造业发展都不约而同地进行着自我的效率创新与升级，快速成型制造技术是其最显著的发展成果之一。该技术以极高的曝光率占据着新兴制造技术生产发展过程中的重要位置，由于其独特的先进性，被广泛应用于航空航天、汽车、电子、家电及生物医疗等制造业中的各个领域。

三维激光成型技术(Stereo Lithography Apparatus，SLA)又叫光固化成型技术，作为当代的一种复合型先进快速成型制造技术，融合了光、电、机械、计算机等多门学科，并与现代数控技术相结合，形成了高效自动化生产加工的重要基础，且能够在很大程度上突破一些传统制造方法所面临的技术瓶颈，在当今世界许多主要机械制造生产领域得到了广泛的发展，发挥了不可替代的作用，取得了令人瞩目的成就［1－4］。

运用三维激光成型技术所加工固化出的光敏树脂属于工程材料，具有其独特的性能和特性，想要真正投入使用，必须考虑其力学性能。国内外学者对光敏树脂做了一些研究，吴幼军［5］等人对光敏树脂各组分进行优化实验设计，并找出其最佳配比和用量;赵毅［6］对光固化树脂进行了实验研究，给出了一种测试树脂参数的原理和方法，建立了平面扫描方式下扫描速度、激光功率、树脂参数等相互关系的数学模型并验证曝光等效原理;Salmoria［7］等人对经过不同后处理成型的光敏树脂做了比较试验，发现在微波炉和紫外光照射下固化的光敏树脂比常温固化的光敏树脂拉伸强度更大，并且弹性模量也较常温时更大，而传统烤箱里固化的光敏树脂拉伸强度明显高于微波炉和紫外光照射下的拉伸强度;刘海涛［8］等人研究了两种光敏树脂(HSL1和SL7545)对快速原型件表面质量的影响;黄笔武［9］等人对SL7510型光敏树脂进行了黏度测试，其结果表明该光敏树脂的黏度随着温度的升高而降低，是一种非牛顿流体;刘永姜［10］等人认为经表面处理后的SiC晶须增韧光敏树脂的力学性能有所提高，随晶须含量的增加，固化速度明显变慢;刘甜［11］等人配成3D打印光固化树脂，并对其进行性能测试，发现所配制的光固化树脂体积收缩率在5%左右，柔韧性优于以双酚A型环氧丙烯酸酯为预聚物的光敏树脂。目前大量的文献几乎都没有对固化后的光敏树脂进行压缩力性能分析及准确的量化研究，因此需要系统的量化分析为实际应用提供参数。

1 实验部分

1.1 主要原料

光敏树脂，GP Plus，美国DSM Somos公司。

1.2 主要设备及仪器

激光快速成形设备，SPS350B，西安交通大学RP＆M工程研究所中心;固化箱，GHX700，西安交通大学RP＆M工程研究所中心;双立柱微机控制电子万能试验机，WDW型－100，上海百若试验仪器有限公司。

1.3 试样制备

三维激光成型技术的基本原理是利用一定波长和强度的激光照射液态光敏树脂，使其立即发生聚合反应，分子量剧增，最终使液态光敏树脂逐层固化，得到所需的试件。其核心思想是离散、堆积。

未固化的光敏树脂呈白色黏稠状，将其充满激光快速成型机的液槽，计算机控制激光照射的截面轨迹和扫描速度等技术参数(UV光束功率为300 mV，填充扫描速度为5 000 mm/s，轮廓扫描速度为3 000 mm/s)，再利用光敏树脂在紫外光下迅速凝固的特性进行扫描，当第一层扫描完成后，照射到的光敏树脂固化形成一个薄截面，而未被照射到的仍然为液态;随后，升降台下降0.1 mm的距离，已固化的截面上方就填充一层光敏树脂，接着进行第二次扫描，如此反复循环下去，就这样层层固化堆积出所需的试件。拉伸试样SLA成形时放置角度为其长度方向，与Z方向垂直。

固化成型后的光敏树脂表面光滑，不透明且呈乳白色。对其清洗后放入固化箱中让其在紫外光下照射一段时间令其干燥，并达到进一步固化的目的，最后处理之后用于试验。

1.4 性能测试

将固化后的光敏树脂试样放置在电子万能试验机上进行准静态压缩和拉伸实验。环境温度为25℃，压缩试件直径为10 mm，厚度(标距)为12 mm，加载速度为5 mm/min，其对应的应变率为8.33×10－3s－1;拉伸试样形状和尺寸如图1所示，其厚度为8 mm，加载速度为5 mm/min，其对应的应变率为2.7×10－3s－1。压缩弹性模量和应力、应变按GB/T 1041－2008《塑料压缩性能的测定》测试;拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率按GB/T 1040.1－2006－T《塑料拉伸性能的测定总则》测试。

图1 拉伸试件的形状和尺寸(单位:mm)Fig.1 Shape and size of tensile specimens(the unit is mm)

2 结果与讨论

2.1 压缩力学性能分析

固化后的光敏树脂在同一条件下进行了5次重复实验，对比数据，通过对实验结果的分析，得到相应的压缩力学性能变化规律以及应力－应变曲线等数据。

光敏树脂的真实应力－应变曲线如图2所示。光敏树脂材料在承受静载压缩变形时经历了典型的3个阶段，即弹性阶段、塑性阶段和压实阶段。在弹性阶段时，材料服从胡克定律，流动应力(又称真实应力)随真实应变的增大而增大，两者呈线性发展，其比例常数即为压缩弹性模量。随后进入塑性阶段，有明显的屈服平台区，试件表现为鼓形;之后出现明显的应变硬化现象。图3为试件压缩变形后的形态，可看出圆柱体试件由于仅单轴受压，没有围压，四周稍稍鼓起，并已造成了塑性变形，不能恢复。

图2 光敏树脂的压缩真实应力－应变曲线Fig.2 Compressive true stress－stain curves of photosensitive resin

图3 试件压缩变形后的形态Fig.3 Deformed specimen after compressive loading

通过分析5次实验结果，选取其中三组有效的数据进行对比。可以发现第一组与第三组试样的真实应力－应变曲线几乎重合，仅仅只是在弹性阶段稍有不同;第二组试样的真实应力－应变曲线与前两组稍有不同，说明光敏树脂在静态加载条件下的压缩力学性能存在一定的差异，但差异不大，如表1所示。实验加载到试件快要破坏时停止。

从表1可得，光敏树脂试件的屈服强度平均值为40.0 MPa，压缩弹性模量平均值为477.6 MPa，永久变形率平均值为43.3%。这表明光敏树脂具有一定的抗压能力，可用于制作坚固耐用的零部件。

表1 光敏树脂压缩力学性能测试数据Table 1 Mechanical properties in compression tests

2.2 拉伸力学性能分析

通过对固化后的光敏树脂试样在同一条件下重复开展5次准静态拉伸实验，得到其真实应力－应变曲线，选取其中三组有效数据进行分析，结果如图4和表2所示。当真实应变增至0.09左右时，试件达到所能承受的最大拉伸应力，但此时试件并未断裂，可知其承载能力还未达到极限，之后随真实应变的增加，应力呈缓慢下降趋势，表现为应力软化现象，最终试件断裂，断口基本上属于平直断口，表明其具有硬韧特征，如图5所示。

图4 光敏树脂的拉伸真实应力－应变曲线Fig.4 Tensile true stress－stain curves of photosensitive resin

表2 光敏树脂拉伸力学性能测试数据Table 2 Mechanical properties in tensile tests

从表2可得，光敏树脂试件的拉伸强度平均值为51 MPa，拉伸弹性模量平均值为685 MPa，断裂应力平均值为39.7 MPa，断裂伸长率平均值为17%。与表1数据比较，可看出光敏树脂的最大拉伸应力大于其屈服应力，其拉伸弹性模量也略高于压缩弹性模量，可见光敏树脂的拉伸强度稍大于其压缩强度，且此材料性能较稳定，并表现出较好的力学性能。

文献［7］得到的7110型树脂成型经不同处理后拉伸强度在42.6～61.2 MPa范围内;文献［9］得到固化后的SL7510型光敏树脂的拉伸强度平均值为40.8 MPa，断裂伸长率平均值为13.6%;文献［12］得到SL5510型光敏树脂的拉伸强度平均值为65 MPa，断裂伸长率平均值为5.1%。综上可知，固化后的这类材料其拉伸强度范围为40.8～65 MPa，拉伸断裂伸长率在5.1%～17%范围之间，力学性能类似且变化不大。

图5 试件拉伸破坏后宏观破坏形貌Fig.5 Fractured specimen after tensile tests

3 结论

(1)经三维激光成型后的光敏树脂在准静态压缩变形时经历了3个阶段，即弹性阶段、塑性阶段和压实阶段，且压缩性能存在一定的差异。其屈服强度为40 MPa，压缩弹性模量为477.6 MPa，永久变形率为43.3%。

(2)对固化后的光敏树脂进行准静态拉伸实验，测得其拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂应力和断裂伸长率分别为51 MPa，685 MPa，39.7 MPa和17%。

(3)与以往文献中的实验数据比较，得出光敏树脂这类材料的拉伸强度范围为40.8～65 MPa，拉伸断裂伸长率范围为5.1%～17%，本文制备的光敏树脂材料样品的拉伸强度居中，但断裂伸长率较大，表明该材料呈一定的韧性。

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Research on the Mechanical Properties of Photosensitive Resin Based on the Stereo Lithography Apparatus

WU Bi－chao，LU Yu－bin

(Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process of Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China)

The quasi－static compressive and tensile experiments of cured photosensitive resin specimens manufactured by stereo lithography apparatus(SLA)have been performed.Variation of the mechanical properties and the true stress－strain curves are obtained.Experimental results show that the cured photosensitive resin has obvious compressive yield phenomenon and tensile strain softening phenomenon.The compressive yield strength is 40 MPa.While the tensile strength is 51 MPa，and the elongation at break is 17%，indicating the characteristic of certain ductility.Therefore，the photosensitive resin is proved to have good mechanical performance.

Photosensitive resin;Stereo lithography apparatus;Mechanical properties;Stress－strain curves

TN249

A

1671－8755(2015)03－0021－04

2015－03－23

留学回国人员科技活动项目择优资助(14zd3102);西南科技大学研究生创新基金(14ycx0119)。

伍璧超(1988—)，女，硕士研究生。E－mail:wubichao21@163.com.通讯作者:卢玉斌(1980—)，男，副研究员，研究方向为冲击动力学。E－mail:yubinluzju@hotmail.com